Почему петли коммутации опасны

Резервные соединения повышают надёжность сетей, но в коммутируемой сети могут создать опасную проблему: петлю коммутации. Петля возникает, когда между коммутаторами есть два или более пути и кадры бесконечно циркулируют по ним. В отличие от медленного соединения, петля может вывести из строя всю сеть за считанные секунды. В этом уроке объясняется, как возникают петли и почему они настолько разрушительны.

Чтобы понять, как возникают петли, вспомним, как коммутаторы обрабатывают неизвестный или широковещательный трафик. Получив широковещательный кадр или кадр для адресата, которого он ещё не изучил, коммутатор рассылает этот кадр через все порты, кроме того, через который кадр поступил. Такая рассылка нормальна и полезна. Но при наличии петли в топологии рассылка превращается в неконтролируемую катастрофу.

Предположим, что два коммутатора соединены двумя кабелями, образующими петлю. Широковещательный кадр поступает на коммутатор A, который рассылает его коммутатору B по обоим соединениям. Коммутатор B рассылает его обратно коммутатору A по обоим соединениям. Коммутатор A снова рассылает его, и кадры размножаются и циркулируют без какого-либо механизма остановки. У кадра второго уровня нет встроенного срока действия, который завершил бы этот цикл.

Результатом становится широковещательный шторм: копии кадров лавинообразно размножаются, перегружая все соединения. Полоса пропускания заполняется зацикленным трафиком, процессоры коммутаторов резко загружаются, пытаясь обработать поток, а обычный трафик не может пройти. Сеть фактически перестаёт работать. Одна петля может парализовать всю площадку за считанные секунды, поэтому петли рассматриваются как аварийная ситуация.

Петли вызывают и вторую проблему: нестабильность таблицы MAC-адресов. Коммутатор определяет, к какому порту подключено устройство, по адресу источника входящих кадров. Когда зацикленные кадры поступают через несколько портов, коммутатор постоянно меняет своё представление о местоположении устройства, переключая запись между портами. Эта путаница искажает решения о пересылке и усугубляет хаос.

Маршрутизаторы избегают бесконечных петель, потому что IP-пакеты содержат счётчик TTL (времени жизни), который уменьшается до нуля, после чего пакет отбрасывается. Но у Ethernet-кадров второго уровня нет поля TTL. В самом кадре ничего не отсчитывает время и не приводит к его истечению. Поэтому зацикленный кадр второго уровня может циркулировать вечно, пока человек не разорвёт петлю или протокол не предотвратит её.

Петли редко создаются намеренно. Часто они возникают случайно: кто-то подключает оба конца патч-корда к одному коммутатору, соединяет две настенные розетки между собой или неправильно подключает несколько неуправляемых коммутаторов цепочкой. Поскольку симптомы появляются внезапно и затрагивают всех, случайные петли часто становятся причиной одновременной потери связи во всём офисе.

Признаки петли включают резкое замедление или полный отказ всей сети, бешено и синхронно мигающие индикаторы состояния коммутаторов, а также очень высокую загрузку процессоров коммутаторов. Проверка связи по сети завершается тайм-аутом. Если связь пропала сразу после того, как кто-то переместил кабель или добавил устройство, заподозрите петлю и найдите недавно созданный резервный путь.

Немедленное решение — разорвать петлю, отключив проблемный резервный кабель. После удаления второго пути рассылке больше некуда циркулировать, и шторм почти мгновенно прекращается. Поэтому при внезапном полном отказе сети специалисты часто начинают с отключения недавно добавленных соединений, чтобы проверить, восстановится ли сеть.

Не следует рассчитывать, что люди смогут избежать каждой петли, а резервирование важно для надёжности. Настоящее решение — автоматический протокол, который разрешает резервные соединения, но блокирует те из них, которые образовали бы петлю, сохраняя их готовыми в качестве резервных. Этот протокол называется протоколом связующего дерева и рассматривается в следующем уроке. Это стандартная защита от петель коммутации.

Петли коммутации относятся к самым разрушительным отказам, которые могут произойти в сети, и встречаются на экзамене Network+. Запомните цепочку: резервный путь приводит к рассылке, рассылка — к широковещательному шторму и нестабильности таблицы MAC, а из-за отсутствия TTL на втором уровне шторм не прекращается сам. Именно поэтому существует предотвращение петель.

Проверьте свои знания о петлях.

Петля коммутации возникает, когда резервные пути позволяют коммутаторам рассылать широковещательные кадры по кругу. Поскольку в Ethernet-кадрах второго уровня нет TTL, петля не прекращается, создавая широковещательный шторм, который перегружает соединения и процессоры коммутаторов, а также вызывает нестабильность таблицы MAC из-за переключения записей. Петли часто возникают случайно и могут за считанные секунды парализовать всю площадку. Надёжное решение — автоматический протокол предотвращения петель: связующее дерево.